Что не входит в основные задачи прогнозирования динамики офп

10.04.202215.04.2022 admin 0 Comments

Тема 2 Методы прогнозирования динамики опасных факторов пожара

Модуль 1. Теоретическая часть

Тема 2. Методы прогнозирования динамики опасных факторов пожара

Современные научные методы прогнозирования ОФП основываются на математическом моделировании, т.е. на математических моделях пожара. Математическая модель пожара описывает в самом общем виде изменение параметров состояния среды в помещении в течение времени, а также изменение параметров состояния ограждающих конструкций этого помещения и различных элементов технологического оборудования.

Основные уравнения, из которых состоит математическая модель пожара, вытекают из фундаментальных законов природы – первого закона термодинамики, закона сохранения массы и закона сохранения импульса. Эти уравнения отражают и увязывают всю совокупность взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов, присущих пожару, таких, как тепловыделение в результате горения, дымовыделение в пламенной зоне, изменение оптических свойств газовой среды, выделение и распространение токсичных газов, газообмен помещения с окружающей средой и со смежными помещениями, теплообмен и нагревание ограждающих конструкций, снижение концентрации кислорода в помещении.

Методы прогнозирования ОФП обычно различают в зависимости от вида математической модели пожара. Математические модели пожара в помещении условно делятся на три класса (три вида): интегральные, зонные, полевые (дифференциальные). Однако, по существу, методов два – интегральный и полевой.

Перечисленные модели отличаются друг от друга объемом той информации, которую они могут дать о состоянии газовой среды в помещении и взаимодействующих с нею конструкций на разных этапах (стадиях) пожара. В этом отношении наиболее детальные сведения можно получить с помощью полевой модели.

В математическом отношении три вышеназванных вида моделей пожара характеризуются разным уровнем сложности.

2.1 Методы прогнозирования динамики опасных факторов пожара

Интегральная модель пожара позволяет получить информацию, т.е. сделать прогноз, о средних значениях параметров состояния среды в помещении для любого момента развития пожара. При этом для того, чтобы сопоставлять (соотносить) средние (т.е. среднеобъемные) параметры среды с их предельными значениями в рабочей зоне, используются формулы, полученные на основе экспериментальных исследований пространственного распределения температур, концентраций продуктов горения, оптической плотности дыма и т. д.

Интегральная модель пожара в своей основе представлена системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Искомыми функциями, выступают среднеобъемные параметры состояния среды, независимым аргументом является время τ.

Интегральная модель пожара, как в своей основе, так и в деталях была разработана в середине 70-х гг. и опубликована в 1976 г. Ю.А. Кошмаровым (труды ВНИИПО, научные отчеты ВИПТШ). Спустя год после этой публикации была напечатана статья на эту тему японским исследователем Т. Танака (Takeyoshi Tanaka «A Mathematical model of a compartment fire»).

Профессор Ю.А. Кошмаров – первый в мире разработал интегральный метод термодинамического анализа пожаров в помещениях, позволяющий прогнозировать динамику и выявлять опасные факторы и причины пожара. Интегральная математическая модель пожара была полностью завершена в середине 70-х годов прошлого столетия.

Существенное развитие и дополнение получила интегральная математическая модель пожара в работах учеников Ю.А. Кошмарова – А.В. Матюшина, С.И. Зернова, В.М. Астапенко, Ю.С. Зотова, А.Н. Шевлякова, И.Д. Гуско, В.А. Козлова и др. В частности, интегральная модель пожара была дополнена дифференциальным уравнением, описывающим изменение оптической концентрации дыма в помещении при пожаре (Зотов Ю.С., 1988).

Различные программные реализации перечисленных выше моделей позволяют упростить и значительно автоматизировать процесс прогнозирования ОПФ. Например, FIM, Ситис ВИМ, КИС РТП.

Зонная модель позволяет получить информацию о размерах характерных пространственных зон, возникающих при пожаре в помещении, и средних параметров состояния среды в этих зонах. В качестве характерных пространственных зон можно выделить, например, в начальной стадии пожара припотолочную область пространства, область восходящего над очагом горения потока нагретых газов и область незадымленной холодной части пространства.

Основу зонной модели пожара в общем случае составляет совокупность нескольких систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Параметры состояния среды в каждой зоне являются искомыми функциями, а независимым аргументом является время τ. Искомыми функциями являются также координаты, определяющие положение границ характерных зон.

Первая зонная модель пожара была предложена в диссертации польского инженера Е. Воланина, выполненной под руководством Ю.А. Кошмарова (1982г.). В последующие годы зонные модели получили существенное развитие в работах Е. Воланина и В.Н. Тимошенко и др.

Программы, реализующие зонную математическую модель пожара: Ситис Блок, Risk Manager (Z-Model), CFAST, BRANZFIRE.

Полевая (дифференциальная) модель позволяет рассчитать для любого момента развития пожара значения всех локальных параметров состояния во всех точках пространства внутри помещения.

Полевая модель пожара впервые в законченном виде (для ограниченных условий) была реализована в диссертации А.М. Рыжова, выполненной в 1982-1985 гг. под руководством проф. Ю.А. Кошмарова. Эта модель разрабатывалась в последующие годы И.Ф. Астаховой и рядом иностранных исследователей. Существенный вклад в развитие метода прогнозирования параметров пожара на основе полевой модели внесли А.М. Рыжов, В.Л. Страхов, С.В. Пузач.

Программы, реализующие полевую математическую модель пожара: FDS, Сигма ПБ, Phoenics, Sophie, Fluent. Также существуют графические редакторы для FDS: Pyrosim, Fenix+ 3, FireGuide, Urban, Fogard, Blender.

2.2 Область применения методов прогнозирования динамики опасных факторов пожара

Выбор конкретной модели расчета времени блокирования путей эвакуации следует осуществлять исходя из следующих предпосылок:

1. для зданий, содержащих развитую систему помещений малого объема простой геометрической конфигурации;

2. для помещений, где характерный размер очага пожара соизмерим с характерными размерами помещения и размеры помещения соизмеримы между собой (линейные размеры помещения отличаются не более чем в 5 раз);

3. для предварительных расчетов с целью выявления наиболее опасного сценария пожара;

зонный (зональный) метод:

1. для помещений и систем помещений простой геометрической конфигурации, линейные размеры которых соизмеримы между собой (линейные размеры помещения отличаются не более чем в 5 раз), когда размер очага пожара существенно меньше размеров помещения;

2. для рабочих зон, расположенных на разных уровнях в пределах одного помещения (наклонный зрительный зал кинотеатра, антресоли и т.д.);

1. для помещений сложной геометрической конфигурации, а также помещений с большим количеством внутренних преград (атриумы с системой галерей и примыкающих коридоров, многофункциональные центры со сложной системой вертикальных и горизонтальных связей и т.д.);

2. для помещений, в которых один из геометрических размеров гораздо больше (меньше) остальных (тоннели, закрытые автостоянки большой площади и т.д.);

3. для иных случаев, когда применимость или информативность зонных и интегральных моделей вызывает сомнение (уникальные сооружения, распространение пожара по фасаду здания, необходимость учета работы систем противопожарной защиты, способных качественно изменить картину пожара, и т.д.).

При использовании интегральной и зонной моделей для помещения, один из линейных размеров которого более чем в пять раз превышает хотя бы один из двух других линейных размеров, необходимо это помещение делить на участки, размеры которых соизмеримы между собой, и рассматривать участки как отдельные помещения, сообщающиеся проемами, площадь которых равна площади сечения на границе участков. Использование аналогичной процедуры в случае, когда два линейных размера превышают третий более чем в 5 раз, не допускается.

2.3 Опасные факторы пожара

Предельно допустимые значения ОФП

Температура окружающей среды, 70 °С

Дальность видимости в дыму 20 м.

Следует подчеркнуть, что основные дифференциальные уравнения всех названных математических моделей пожара вытекают из неопровержимых фундаментальных законов природы. В связи с этим уместно указать, что основные дифференциальные уравнения интегральной модели пожара можно получить, например, из уравнений полевой (дифференциальной) модели путем интегрирования последних по объему помещения. Следовательно, в принципе, результаты вычислений искомых функций, с которыми оперирует та или иная модель пожара, должны были бы иметь одинаковую степень достоверности. Однако адекватность результатов расчетов реальному пожару определяется не только системой основных (базовых) уравнений каждой модели пожара. Дело в том, что в каждой модели привлекаются дополнительные функциональные зависимости для вычисления тех или иных физических величин, содержащихся в математическом описании пожара. Например, в полевой модели могут привлекаться различные дополнительные уравнения для вычисления коэффициентов турбулентного переноса энергии, импульса и компонентов газовой среды. В интегральной и зонной моделях могут использоваться различные формулы для вычисления тепловых потоков в ограждающие конструкции. Поэтому при оценке достоверности результатов прогнозирования необходимо, прежде всего, учитывать уровень научных разработок вопросов, определяющих содержание дополнительных функциональных зависимостей.

Чтобы сделать научно обоснованный прогноз, обращаются к той или иной модели пожара. Выбор модели определяется целью (задачами) прогноза. Путем решения системы дифференциальных уравнений, которые составляют основу выбранной математической модели, устанавливают конкретный характер динамики ОФП. Следует отметить, что даже при использовании интегральной модели пожара получить аналитическое решение присущей этой модели системы обыкновенных дифференциальных уравнений в общем случае невозможно.

В силу сказанного реализация вышеназванных методов прогнозирования возможна лишь путем численного решения системы дифференциальных уравнений, присущих выбранной модели пожара. Это численное решение можно выполнить только с помощью современных компьютеров.

2. Приказ МЧС России от 30.06.2009 г. № 382 «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности».

3. Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: учебное пособие / Ю.А. Кошмаров. Академия ГПС МВД России. Москва, 2000. 118 с.

Источник

1 Расчет динамики развития опасных факторов пожара

Расчеты динамики опасных факторов пожара (ОФП) производятся по интегральной модели, позволяющей определить среднеобъемные показатели состояния газовой среды помещений в соответствии с прил. 2 ГОСТ 12.1.004-91* [1].

Необходимое время эвакуации людей из помещения ( t _нб ) определяется в зависимости от времени достижения опасными факторами пожара своих критических значений для наиболее опасного варианта развития пожара, характеризующегося наибольшим темпом нарастания ОФП в рассматриваемом помещении.

по повышенной температуре:

по потере видимости:

по пониженному содержанию кислорода:

по каждому из токсичных газообразных продуктов горения:

Параметр Z рассчитывается по формуле:

где h – высота рабочей зоны, м. Определяется из выражения:

где h _пл – высота площадки, на которой находятся люди, над полом помещения, м ;

Параметры A и n для случая кругового распространения пожара рассчитываются следующим образом

Из полученных в результате расчетов значений критической продолжительности пожара выбирается минимальное :

1.2 Исходные данные для расчета динамики ОФП

В расчетах использованы следующие параметры:

геометрические параметры помещений (ширина, длина, высота) принимаются в соответствии с предоставленным заказчиком планом помещений и проведенным обследованием помещений. Основная пожарная нагрузка представлена упаковкой.

объем пожарной нагрузки в основном объеме рассматриваемых помещений принимается равным 20 % от общего объема помещения;

t ₀ = 20 0 C – начальная температура воздуха в помещении;

n = 3 – показатель степени, учитывающий изменение массы выгорающего материала во времени;

j = 0,7 – коэффициент теплопотерь;

h = 0,95 – коэффициент полноты горения;

a = 0,3 – коэффициент отражения (альбедо) предметов на путях эвакуации;

E = 50 лк – начальная освещенность;

l _пр = 20 м – предельная дальность видимости в дыму;

1.3 Расчет динамики опасных факторов пожара торговом зале.

Для проведения расчета динамики ОФП рассматривается возгорание в торговом зале. За расчетный вариант возникновения и развития пожара принимается возгорание упаковки, которая имеет следующие характеристики:

Определим необходимое временя эвакуации из торгового зала по методики изложенной в п. 2.1.

Размерный комплекс B будет равен:

Параметр Z будет равен:

Для кругового распространения пламени по поверхности равномерно распределенного в горизонтальной плоскости горючего материала параметр А равен:

Исходя из приведенных соотношений, время достижения опасными факторами пожара своих критических значений составит:

по повышенной температуре:

по потере видимости:

по пониженному содержанию кислорода:

по содержанию СО ₂ в продуктах горения:

Поскольку под знаком логарифма получается отрицательное число, диоксид углерода в данном случае не представляет для человека опасности и в расчет не берется.

по содержанию СО в продуктах горения: